Considerazioni sulla selezione della tenuta – Installazione di tenute meccaniche doppie ad alta pressione

Le tenute meccaniche di disposizione 3 sonodoppie guarnizionidove la cavità del fluido barriera tra le tenute viene mantenuta a una pressione superiore a quella della camera di tenuta. Nel tempo, l'industria ha sviluppato diverse strategie per creare l'ambiente ad alta pressione necessario per queste tenute. Queste strategie sono descritte negli schemi di tubazione della tenuta meccanica. Sebbene molti di questi schemi svolgano funzioni simili, le caratteristiche operative di ciascuno possono essere molto diverse e incidere su tutti gli aspetti del sistema di tenuta.

Il Piping Plan 53B, come definito dalla norma API 682, è un sistema di tubazioni che pressurizza il fluido barriera tramite un accumulatore a sacca caricato con azoto. La sacca pressurizzata agisce direttamente sul fluido barriera, pressurizzando l'intero sistema di tenuta. La sacca impedisce il contatto diretto tra il gas di pressurizzazione e il fluido barriera, eliminando l'assorbimento di gas nel fluido. Ciò consente l'utilizzo del Piping Plan 53B in applicazioni a pressione più elevata rispetto al Piping Plan 53A. La natura autonoma dell'accumulatore elimina inoltre la necessità di un apporto costante di azoto, rendendo il sistema ideale per installazioni remote.

I vantaggi dell'accumulatore a sacca sono, tuttavia, controbilanciati da alcune caratteristiche operative del sistema. La pressione di un Piping Plan 53B è determinata direttamente dalla pressione del gas nella sacca. Questa pressione può variare notevolmente a causa di diverse variabili.

La sacca nell'accumulatore deve essere precaricata prima di aggiungere il fluido barriera al sistema. Questo costituisce la base per tutti i calcoli e le interpretazioni future del funzionamento del sistema. La pressione di precarica effettiva dipende dalla pressione di esercizio del sistema e dal volume di sicurezza del fluido barriera negli accumulatori. La pressione di precarica dipende anche dalla temperatura del gas nella sacca. Nota: la pressione di precarica viene impostata solo alla messa in servizio iniziale del sistema e non verrà modificata durante il funzionamento effettivo.

La pressione del gas nella sacca varia in base alla temperatura del gas stesso. Nella maggior parte dei casi, la temperatura del gas seguirà la temperatura ambiente nel luogo di installazione. Le applicazioni in regioni con forti variazioni di temperatura giornaliere e stagionali subiranno ampie oscillazioni della pressione del sistema.

Consumo di fluido barrieraDurante il funzionamento, le tenute meccaniche consumano fluido barriera a causa delle normali perdite di tenuta. Questo fluido barriera viene reintegrato dal fluido presente nell'accumulatore, con conseguente espansione del gas nella camera d'aria e diminuzione della pressione del sistema. Queste variazioni dipendono dalle dimensioni dell'accumulatore, dal tasso di perdite della tenuta e dall'intervallo di manutenzione desiderato per il sistema (ad esempio, 28 giorni).

La variazione della pressione del sistema è il modo principale con cui l'utente finale monitora le prestazioni della tenuta. La pressione viene utilizzata anche per generare allarmi di manutenzione e per rilevare guasti alla tenuta. Tuttavia, le pressioni variano continuamente durante il funzionamento del sistema. Come deve impostare l'utente le pressioni nel sistema Plan 53B? Quando è necessario aggiungere fluido barriera? Quanto fluido deve essere aggiunto?

Il primo set di calcoli ingegneristici ampiamente pubblicato per i sistemi Plan 53B è apparso nella quarta edizione dell'API 682. L'Allegato F fornisce istruzioni dettagliate su come determinare pressioni e volumi per questo schema di tubazioni. Uno dei requisiti più utili dell'API 682 è la creazione di una targhetta standard per gli accumulatori a sacca (API 682, quarta edizione, Tabella 10). Questa targhetta contiene una tabella che riporta le pressioni di precarica, riempimento e allarme del sistema nell'intervallo di temperatura ambiente del sito di applicazione. Nota: la tabella nella norma è solo un esempio e i valori effettivi cambieranno significativamente se applicati a una specifica applicazione sul campo.

Uno dei presupposti di base della Figura 2 è che il Piping Plan 53B debba funzionare in modo continuo e senza modificare la pressione di precarica iniziale. Si presume inoltre che il sistema possa essere esposto a un intero intervallo di temperatura ambiente per un breve periodo di tempo. Ciò ha implicazioni significative nella progettazione del sistema e richiede che il sistema funzioni a una pressione maggiore rispetto ad altri sistemi di tubazioni a doppia tenuta.

Utilizzando la Figura 2 come riferimento, l'applicazione di esempio è installata in un luogo in cui la temperatura ambiente è compresa tra -17 °C (1 °F) e 70 °C (158 °F). Il limite superiore di questo intervallo sembra irrealisticamente alto, ma include anche gli effetti del riscaldamento solare di un accumulatore esposto alla luce solare diretta. Le righe della tabella rappresentano gli intervalli di temperatura tra il valore massimo e quello minimo.

Quando l'utente finale utilizza il sistema, aggiungerà pressione al fluido barriera fino a raggiungere la pressione di riempimento alla temperatura ambiente corrente. La pressione di allarme è la pressione che indica all'utente finale la necessità di aggiungere ulteriore fluido barriera. A 25 °C (77 °F), l'operatore precaricherà l'accumulatore a 30,3 bar (440 PSIG), l'allarme verrà impostato a 30,7 bar (445 PSIG) e l'operatore aggiungerà fluido barriera fino a raggiungere la pressione di 37,9 bar (550 PSIG). Se la temperatura ambiente scende a 0 °C (32 °F), la pressione di allarme scenderà a 28,1 bar (408 PSIG) e la pressione di riempimento a 34,7 bar (504 PSIG).

In questo scenario, sia la pressione di allarme che quella di ricarica variano, o fluttuano, in risposta alla temperatura ambiente. Questo approccio è spesso definito strategia "floating-floating". Sia l'allarme che la ricarica "fluttuano". Ciò si traduce nelle pressioni operative più basse per il sistema di tenuta. Questo, tuttavia, impone due requisiti specifici all'utente finale: determinare la corretta pressione di allarme e la pressione di ricarica. La pressione di allarme per il sistema è funzione della temperatura e questa relazione deve essere programmata nel sistema DCS dell'utente finale. La pressione di ricarica dipenderà anche dalla temperatura ambiente, quindi l'operatore dovrà fare riferimento alla targhetta per trovare la pressione corretta per le condizioni attuali.

Alcuni utenti finali richiedono un approccio più semplice e desiderano una strategia in cui sia la pressione di allarme che le pressioni di riempimento siano costanti (o fisse) e indipendenti dalla temperatura ambiente. La strategia "fisso-fisso" fornisce all'utente finale una sola pressione per il riempimento del sistema e un unico valore per l'allarme. Purtroppo, questa condizione deve presupporre che la temperatura sia al valore massimo, poiché i calcoli compensano la temperatura ambiente che scende dal valore massimo a quello minimo. Ciò comporta il funzionamento del sistema a pressioni più elevate. In alcune applicazioni, l'utilizzo di una strategia "fisso-fisso" può comportare modifiche nella progettazione della tenuta o nei valori di pressione massima ammissibile (MAWP) di altri componenti del sistema per gestire le pressioni elevate.

Altri utenti finali adotteranno un approccio ibrido con una pressione di allarme fissa e una pressione di riempimento variabile. Questo può ridurre la pressione di esercizio semplificando al contempo le impostazioni di allarme. La scelta della strategia di allarme corretta deve essere presa solo dopo aver considerato le condizioni di applicazione, l'intervallo di temperatura ambiente e le esigenze dell'utente finale.

Alcune modifiche al progetto del Piping Plan 53B possono contribuire ad attenuare alcune di queste problematiche. Il riscaldamento dovuto alla radiazione solare può aumentare notevolmente la temperatura massima dell'accumulatore nei calcoli di progetto. Posizionare l'accumulatore all'ombra o costruire una protezione solare per l'accumulatore può eliminare il riscaldamento solare e ridurre la temperatura massima nei calcoli.

Nelle descrizioni precedenti, il termine "temperatura ambiente" viene utilizzato per rappresentare la temperatura del gas nella sacca. In condizioni di temperatura ambiente stazionaria o con variazioni lente, questa è un'ipotesi ragionevole. In caso di ampie oscillazioni della temperatura ambiente tra il giorno e la notte, l'isolamento dell'accumulatore può attenuare le oscillazioni di temperatura effettive della sacca, con conseguente maggiore stabilità delle temperature operative.

Questo approccio può essere esteso all'utilizzo del tracciamento elettrico e dell'isolamento dell'accumulatore. Se applicato correttamente, l'accumulatore funzionerà a una temperatura costante indipendentemente dalle variazioni giornaliere o stagionali della temperatura ambiente. Questa è forse l'opzione progettuale più importante da considerare in aree con ampie variazioni di temperatura. Questo approccio vanta un'ampia base installata sul campo e ha permesso di utilizzare il Plan 53B in luoghi che non sarebbero stati possibili con il tracciamento elettrico.

Gli utenti finali che stanno valutando l'utilizzo di un Piping Plan 53B devono essere consapevoli che questo non è semplicemente un Piping Plan 53A con un accumulatore. Praticamente ogni aspetto della progettazione, messa in servizio, funzionamento e manutenzione del sistema di un Piping Plan 53B è specifico di questo tipo di impianto. La maggior parte delle frustrazioni riscontrate dagli utenti finali deriva dalla scarsa comprensione del sistema. Gli OEM di guarnizioni possono preparare un'analisi più dettagliata per un'applicazione specifica e fornire le informazioni necessarie per aiutare l'utente finale a specificare e utilizzare correttamente questo sistema.